Meta-Origami

 

Metabolic Engineering von Ustilago trichophora: ein Isotopen-gestützter Metabolomics-Ansatz zur Verbesserung der Malatproduktion aus Glycerin

Biodiesel ist eine schnell wachsende Alternative zu fossilen Energieträgern und wird bereits bei herkömmlichen Dieselmotoren eingesetzt. Aus dem Bericht der World Bioenergy Association geht hervor, dass in Europa im Jahr 2015 rund 10,2 Millionen Tonnen Biodiesel (43% der weltweiten Biodieselproduktion) produziert wurden. Dem Bericht zufolge ist Deutschland das Land mit der dritthöchsten Biodieselproduktion, gleich nach den USA und Brasilien. Aufgrund der Produktion von Glycerin als Hauptnebenprodukt (10 % w/v) mit geringem Wert, ist die gesamte Biodieselindustrie im Vergleich zu erdölbasierten Verfahren jedoch noch nicht wirtschaftlich wettbewerbsfähig. Daher sind effiziente Ansätze zur Umwandlung von Rohglycerin in begehrtere Produkte dringend gefragt, um die ökonomischen und ökologischen Aspekte der gesamten Biodiesel-Raffinerie zu verbessern.

In jüngster Zeit hat sich gezeigt, dass die Pilzfamilie Ustilaginaceae (> 600 Arten) das Potenzial hat, Non-Food-Biomasse oder bioindustrielle Abfallströme als Substrat zu nutzen, um Chemikalien von industriellem Interesse, wie organische Säuren, Glykolipide und Zuckeralkohole zu produzieren. Die Fähigkeit vieler Ustilaginaceae-Stämme, in haploider und einzelliger Form zu wachsen, ist im Vergleich zu anderen etablierten filamentösen Pilzen, bei denen die Kontrolle der Pilzmorphologie eine wichtige Prozessdeterminante ist, von bemerkenswertem Vorteil für industrielle Anwendungen. Bei einem Screening von 76 Ustilaginaceae auf die Fähigkeit, Rohglycerin in organische Säuren umzuwandeln, wurde festgestellt, dass U. trichophora die höchste natürliche Produktionsrate von Malat aufweist. Weitere Optimierungen an diesem Stamm steigerten den Malat-Titer auf über 200 gL-1, was der Höchste bisher berichtete Titer für die mikrobielle Produktion ist. Bemerkenswert ist, dass die Ausbeute nur ca. 31 % des theoretischen Maximums betrug, was darauf hindeutet, dass es noch mehr Raum für weitere Optimierungen gibt. Wenn die Ausbeute der Malatproduktion verbessert wird, könnte U. trichophora ein neuer Kandidat für die industrielle Produktion von Malat durch Aufwertung von Rohglycerin sein.

Das Haupthindernis für die Stammverbesserung von U. trichophora ist das fehlende Wissen über sein metabolisches Netzwerk. Selbst der höchste Apfelsäuretiter wurde nur durch eine Optimierung des Mediums und der Fermentation erreicht. Daher kann die Metabolomik mit Hilfe von Isotopenverbindungen genutzt werden, um die Strategien des Metabolic Engineering zu steuern. Als Bottom-up-Verfahren, das sich auf die Identifizierung und Quantifizierung von Metaboliten im Hochdurchsatz konzentriert, haben sich isotopengestützte Metabolomics-Ansätze als eine der leistungsfähigsten Methoden erwiesen, um neue Erkenntnisse über die Struktur und Dynamik des metabolischen Netzwerks zu gewinnen. Das Metabolic Engineering zur Stammverbesserung kann anschließend erfolgen, indem man sich auf Modifikationen des Wirts-Stoffwechselnetzwerks konzentriert, um die Verteilung der Stoffwechselflüsse zu verändern und die Produktion von Zielverbindungen zu maximieren.

 
  Übersichtsgrafik Meta-Origami Urheberrecht: © iAMB
 
 


Das Projekt "Meta-Origami" - eine Anwendung der isotopengestützten Metabolomik zur Erforschung der Struktur und Funktionsweise des Stoffwechselnetzwerks von Ustilago trichophora. "Meta-Origami" zielt darauf ab, das metabolische Netzwerk in U. trichophora zu entschlüsseln und zu rekonstruieren, um die Leistung in Bezug auf Titer, Produktivität und vor allem die Ausbeute von Malat aus Glycerin zu maximieren. Dieses Projekt wird die folgenden spezifischen Ziele verfolgen

(1) Etablierung der Methodik für GC-MS-basiertes metabolisches Profiling von U. trichophora . Da die Metabolom-Informationen von U. trichophora nicht gut bekannt sind, wird eine Methode für ein nicht-zielgerichtetes metabolisches Profiling in einer völlig unvoreingenommenen Weise etabliert werden. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Forschung werden eine benutzerfreundliche GCMS/MS-Metabolomik-Plattform am Gastinstitut und eine umfassende Metabolit-Datenbank von U. trichophora sein.

(2) Erforschung der Struktur und Dynamik des metabolischen Netzwerks bei der Malatproduktion aus Glycerin von U. trichophora . Dieses Ziel sucht die Antworten auf die Fragen: i) Was sind die Hauptnebenprodukte und die Engpässe in den Wegen der Malatproduktion aus Glycerin? ii) Welche Stoffwechselwege sind an der Aufnahme und dem Abbau von Glycerin in U. trichophora beteiligt? Es wird erwartet, dass die Ergebnisse der erste Bericht über das metabolische Netzwerk von U. trichophora sein werden, der die Kohlenstoffverluste während der Malatproduktion aus Glycerin entschlüsselt.

(3) Steigerung der Malatproduktion von U. trichophora durch metabolisches Engineering. Dieser Schritt zielt darauf ab, Strategien für die Modifikation des Wirtsstoffwechselnetzwerks durch Stamm-Engineering oder Kulturoptimierung zu entwickeln, mit dem letztendlichen Ziel, die Malatproduktion aus Glycerin zu optimieren.

  Finazierung: EU Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie

Dieses Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Marie Sklodowska-Curie grant agreement No. 793158 gefördert.

 



Mitarbeiter: Dr. An Phan